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森林火災面積已達600萬公頃，澳大利亞舉國「上火」
據CNN報導，今年山火季節開始以來，全澳大利亞森林火災面積已達600萬公頃，相當於一個克羅埃西亞的大小。而近年來為世人關注的2018年加州山火和2019年的亞馬孫森林大火，火災面積分別為77萬公頃和90萬公頃。
圖1 1月5日的澳大利亞山火實時情況，紅色為燃燒12小時內的火災，橙色為燃燒12-24小時的火災圖/Google Crisismap
據《時代》周刊報導，新南威爾斯州30%的森林已被燒毀。截至1月5日，已有23人在山火中喪生。森林燃燒產生的有毒煙霧一度讓雪梨和坎培拉成了世界上空氣汙染最嚴重的城市；霧霾甚至飄到了數千公裡外的紐西蘭。
為抗擊山火，全澳洲已有3名消防員不幸犧牲；僅新南威爾斯州就已出動了3000餘名消防員。1月5日，美國宣布派出20名經驗豐富的加州消防員前往澳大利亞協助抗擊山火。
基於元胞自動機模型和蒙特卡羅算法，我們模擬了澳洲森林火災蔓延過程，有助於消防員更好地進行滅火，因此具有非常重要的意義。
元胞自動機模型可以用來模擬交通流、火災蔓延情況、高速收費站交通情況，有利於我們更好地改善交通狀況，更好地控制火災蔓延，合理地設置收費站的數量等。
在我們為每個元胞的時間進化制定規則之前，我們最好先確定每個元胞的相鄰元胞結構是什麼，這裡我們採用Von.Neumann模型。在二維元胞自動機模型中，元胞與其相鄰元胞之間的直線距離通常是元胞長度的一個單位，但有時這個距離等於兩個單位。在我們的模擬中，我們選擇一個單元的長度作為相鄰元胞的聯繫，如圖2所示。
圖2 Von.Neumann鄰近模型
如圖3所示，有三種不同顏色的網格。黑色網格表示裸露荒地元胞，紅色網格表示燃燒元胞，綠色網格表示有植被的元胞。
圖3 三種不同顏色的網格
燃燒元胞總是出現在邊界處，這與實際情況中火在邊界上是一致的。此外，我們還觀察到，火災的起源發生在角落，並最終匯聚在一個地方。我們認為隨機性是導致火災幾種不同起源的原因。當樣本量中等時，元胞的燃燒概率可能導致一個以上的野火起源。
情況一：無風情況下森林火災的自然蔓延
無風情況下森林火災的自然蔓延模擬結果如圖4所示。
圖4 無風情況下森林火災的自然蔓延模擬結果
在模擬仿真過程中，我們發現了一些重要的規律。我們看到，火勢在原點的基礎上均勻蔓延，燃燒面積接近一個圓圈。另外，就火勢距離而言，火勢距離越短，植被密度越低。此外，在兩股溪流的交匯處，火焰減少。實際上，其原因是匯流處植被等可燃物較少。
情況二：有風情況下森林火災的自然蔓延
考慮風向朝右，以一個元胞為例，我們只檢查它的左元胞是否在燃燒，或者它的上元胞是否在燃燒，或者它的下元胞是否在燃燒，而這兩種情況中的任何一種發生，這個元胞都將在下一步時間燃燒。有風情況下森林火災的元胞如圖5所示。
圖5 有風情況下森林火災的元胞
相反，如果它的右元胞正在燃燒，而它的左元胞、上元胞和下元胞都沒有在燃燒，這個元胞在下一步就不會著火。這樣，我們可以在模型中加入影響，得到更真實的仿真結果。
在風的作用下，火勢向右延伸，燃燒的區域在穿過該區域時扇出。更重要的是，開始時，火很小，隨著時間的推移，每個燃燒的元胞都會點燃附近的元胞。這是使火在很短的時間內變得猛烈的因素。正是雪崩效應，使得火勢不僅沿著風向蔓延，而且還向風向兩邊蔓延。
圖6 有風（吹向右邊）情況下森林火災的自然蔓延模擬結果
當風在右下方吹動時，結果如圖7所示。
圖7 有風（吹向右下方）情況下森林火災的自然蔓延模擬結果
只有當植被密度足夠高時，燃燒區域才能再次被點燃，如圖8所示。下一場火災不會對那些光禿禿的荒地造成影響。同時，火災蔓延動態過程告訴我們，一些被燒毀的區域可以重新成為有植被的元胞，恢復的時間依賴於生長的參數。
圖8 （左）燃燒區域可以被點燃
（右）被燒毀的區域內植被面積減少
圖9 (左)火勢繞過少數植被區的初始著火階段
（右）火勢繞過少數植被區的中間著火階段
圖10 （左）火勢蔓延的一種地形圖
（右）火勢蔓延的另一種地形圖
在模擬過程中，我們觀察到火災可以繞過少數植被區。這種規律性有助於我們用低密度植被區代替高海拔地區。同樣，我們可以用高密度的植被區代替低海拔地區。通過這種方法，我們可以模擬更精確的火災行為，因為高海拔和低海拔地區交界處的斜坡（低密度植被和高密度植被區）將影響火災的傳播，因此，火勢的蔓延也會相應變化的。
情況三：不同植被密度時森林火災的自然蔓延
火勢的蔓延隨樹木密度的變化而變化。密度越大，火蔓延得越快。而且，隨著植被密度的增加，傳播速度的也在增加。此外，如果樹木密度太小，火就會停止蔓延。它可以在圖11的左上方看到。如果密度足夠大，火就會蔓延到整個地區，「星星之火，可以燎原」就是這個道理。
圖11 火以不同的可能向四面八方蔓延，六幅圖片是在同一時間得到的。由於植被的密度不同，火勢的蔓延情況不同。從左到右，從上到下，植被的密度從50%到100%按10%的步驟遞增變化。
累計著火植被的數量在不同植被密度下隨時間變化的趨勢圖如圖12所示，從圖12中我們看出，密度越大，火蔓延得越快。而且，隨著植被密度的增加，傳播速度的也在增加。
圖12 累計著火植被的數量在不同植被密度下隨時間變化的趨勢圖
情況四：不同時間階段森林火災的蔓延情況
著火面積隨時間而增大，告訴我們，如果採取適當的滅火措施，燃燒的面積可以更小。為了計算燃燒面積，模擬森林火災的蔓延。隨著時間的推移，記錄燃燒元胞的數量。由於火勢的蔓延是隨機的，燃燒面積每次都不同。下圖展示了燒傷區域的例子。
這提醒我們：如果在著火初期階段就迅速滅火，就能非常有效地遏制火勢的蔓延。相反，如果不在早期滅火，火勢在很短的時間內就會迅速蔓延，造成無法挽回的後果和損失。「星星之火，可以燎原」就是這個道理。
圖13 不同時間階段森林火災的蔓延情況
情況五：火勢不同擴散速度模擬火災的蔓延情況
火以不同的可能向四面八方蔓延的速度和概率分布圖如圖14所示。
圖14 火以不同的可能向四面八方蔓延的速度和概率分布圖
圖15 火勢以不同的速度和概率向四面八方蔓延的示意圖
在實際情況中，加上大風，更多易燃物，氣候乾燥等因素，火災蔓延的速度更快，火勢洶洶，星星之火可能在瞬間就變成熊熊烈焰。
火災的預防非常重要，提醒大家：
不要在危險品旁邊抽菸，不要亂扔菸頭，睡覺時不要抽菸，也不要邊走邊抽菸，不要將點燃的蠟燭放在窗戶附近。
離開房間或睡覺時熄滅所有的蠟燭，更不要點蠟燭熬夜，防止造成火災事故。
小心易燃物。如汽油、煤油、酒精、天然氣、噴氣稀釋劑和木炭打火機液等易燃物的使用不當，而造成火災。
出門不要忘記關閉電源開關，及時排除電器故障，防止電器設備超負荷運轉，發生漏電時應及時找專業維修人員進行修理，並經常檢查電器的使用情況。防止違章操作和使用不合格產品而引起火災。
禁止焚燒雜物，禁止違章使用明火。未經有關部門同意，不能隨意使用明火，同時防止驅蚊時引起火災，保持疏散通道暢通，禁止在疏散通道內堆放雜物。
安裝防火報警設備，並在走廊、樓梯以及其他重要的地方要使用絕熱性耐燃材料，及時發現火災，消滅火災，減少損失，同時禁止私自挪動消防器材。
天乾物燥，小心火燭，小數祝願大家都能夠度過一個平安快樂的新年！
結論
預測森林火災蔓延情況是滅火指揮決策中的重要問題，傳統的預測方法一般採用的橢圓模型不能反映出當火點確定時火頭及火尾的位置。用本文提出基於元胞自動機模型來預測火場時，根據初始確定的火點位置，能預測出各部位火的蔓延位置。用於預估火場面積、周邊長等火場參數時，同樣具有簡單易行的特點。
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